单片机课程设计之电梯控制系统

微控综合系统课程设计报告专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 自动化与电气工程学院2016 年 12 月 23 日评语：考勤（10） 守纪（ 10） 过程（40） 设计报告（30） 答辩（10） 总成绩（100）微控综合系统课程设计报告摘要本文介绍了一种采用 STC15F2K60S2 芯片进行电梯控制系统的设计方法，主要阐述如何使用单片机进行编程来实现电子设计的方法，利用单片机编程实现功能，简洁而又多变的设计方法，缩短了研发周期，同时使电梯控制系统体积更小功能更强大。硬件部分主要由单片机的最小模块、电梯内外按钮控制模块、数码管显示楼层模块、发光二极管显示目的楼层模块、报警显示模块组成。软件部分使用 kiel 软件进行 C语言程序编写，用 proteus 软件进行仿真调试。本设计具有电梯控制系统所需的一些基本功能，能通过方向按键选择方向，能通过数字按键选择楼层，数码管显示实时楼层数，电动机控制部分采用直流电机及H 桥驱动电路,使电梯箱能上下运动。硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了五层电梯运行的模拟仿真。关键词：STC15F2K60S2 芯片；电梯控制系统； C 语言AbstractThis paper describes the use of a STC15F2K60S2 chip for elevator control system design methods, mainly elaborates how to use microcontroller programming method to realize electronic design, realize the function of the use of single-chip programming, concise and changing the design method shortens the development cycle, at the same time the elevator control system smaller and more powerful. The hardware part is composed of the smallest module of the microcontroller, the internal and external button control module, the digital control display module, the light emitting diode display module and the alarm module. The software part uses the Kiel software to carry on the C language programming, uses the Proteus Software to carry on the simulation debugging. Some of the basic functions of the design of the elevator control system required, canchoose direction key direction through the number keys to select the floor, real-time digital display of the number of floors, the motor control part adopts DC motor and H bridge driving circuit, the elevator box can move up and down. The hardware design is simple and reliable, combined with the software, the basic realization of the five elevator operation simulation.Key words: STC15F2K60S2 chip; elevator control system; C language.1.引言随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。因此电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备,更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路,存在易出故微控综合系统课程设计报告障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发展来看,这种系统将逐渐被淘汰。而单片机价格相当便宜，由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。1.1 课题的提出及研究意义电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理技术、系统工程学等多科学和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中永久垂直交通工具。电梯作为生产生活的典型运载工具使用已十分普及，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特别高。随着经济的发展高层建筑越来越多对电梯的运行速度和控制性能也提出了更高的要求。而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用继电器继电器阵列结构该结构体积大、接线复杂、噪音大、触点易磨损、故障率高、维护工作量大，已无法满足现代社会的需要。自上世纪 80 年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农业生产的各个方方面面，随着电力电子技术和微电子技术的发展,使得以微机为核心的控制系统得到广泛应用。尤其是单片机的开发与应用，其深度和广度越来越大。微机应用于电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统相比，具有很大优越性，一方面，它使整个系统的体积减小，可靠性提高，使用寿命延长；另一方面，它还简化了安装调试和维护维修的工作量，使整个电梯的运行成本降低。更突出的优点是微机具有灵活的算术和逻辑运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，实现更完善的自动控制。常用的微机控制主要的有两种技术：基于 PLC 控制和基于单片机控制两大技术。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。但是由于 PLC 的针对性较强，每一台 PLC 都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。而单片机价格相当便宜，也不像 PLC 那么有针对性，可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。基于单片机控制的电梯可以大大的降低成本而且运行也较可靠，采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便,是一种少投入、高回报的方案。同时能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的监控。1.2 课题研究的内容随着科技的发展，微型计算机领域的不断进步，将使得将来电梯的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与微控综合系统课程设计报告电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此微型计算机控制技术将会成为电梯运行中的关键技术。本次设计的主要内容是以单片机为主控制器的电梯控制系统。本来电梯系统是一个相对复杂的系统，由于能力和经验有限，所以只能实现基本的功能如：层站呼叫、自动停层、轿厢命令响应等。通过单片机输出电压通过驱动电路然后控制电梯拖动。在此，本文以五层电梯为研究对象，选用 STC15F2K60S2 单片机作为其控制器，研究微机控制梯系统的设计方法。根据问题的提出、意义和文献综述，本课题研究的具体内容包括以下四个方面：（1）对电梯系统常用的控制方法的研究（2）电梯控制系统硬件组成及其原理（3）电梯的单片机系统软件设计（4）电梯在信号传输中遇到的问题2 总体设计方案2.1 设计思路本次设计的基本思想是采用 STC15F2K60S2 单片机作为核心，利用其丰富的 I/O 接口与外围电路配合进行控制。采用延时函数来控制电梯的位置校验，采用数码管静态显示来实时显示电梯所在楼层。采用行列式矩阵键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是 5 层楼，故选用 44 矩阵键盘。当电梯到达目的楼层时电机停止，此时即可进、出乘客，乘客进入电梯之后可选择去哪一层，然后电梯根据乘客的选择判断去哪一层，继续运行。通过单片机控制电梯在上升过程中只响应上升呼叫，下降过程中只响应下降呼叫。电梯的正常运行通过单片机的控制来实现。2.1.1 方案确立（1）楼层显示模块方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。点阵式液晶显示器属于低功耗器件，但其价格较贵。方案二：采用传统的 8 段数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。虽功耗大，但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。以上两种方案中，选择方案二。（2）声音提示模块方案一：采用美国 ISD 公司的 2590 语音芯片，该语音芯片录放时间为 90 秒。ISD2500 系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内 E2PROM 容量为 480K，所以录放时间长；有 10 个地址输入端，寻址能力微控综合系统课程设计报告可达 1024 位；最多能分 600 段；设有 OVF（溢出）端，便于多个器件级联。方案二：采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响，提示乘客到达了所需的楼层，另外可以作为紧急停止时的报警提示信号，其软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。以上两种方案中，选择方案二。（3）电动机模块方案一：采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面十分优越。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。常用的步进电机每转一步，角度转 1.8，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息，升降精度很高。方案二：采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过控制电流的方向可以实现电机的正反转。直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到。此题目中电机要带动的负载较大，对升降精度要求不是很，所以采用方案二。 2.1.2 实现单片机控制电梯的主要方法首先，对实际的电梯系统进行模拟，一般情况下，一个电梯应该具备相关按键、显示二极管、数码管等，由于这是一个调度模块，故没有设计具体的轿厢等机械部分。然后，结合这些实物，选择恰当的芯片，并分成若干模块，安排好各自之间的关系。同时要有专门的按键控制芯片，从而便于按键管理。接着，要完成电路图的设计，焊接相关器件后进行硬件调试，看是否好用并加以适当的更正，最终使硬件电路简单又实用。同时，如果每个选层按钮都采用独立的按键设置，可以很大程度上简化扫描按键程序，采集信号也容易得多，但是由于单片机接口有限，模拟电梯自动控制系统所需按键较多，如此会有接口不足的问题，所以本设计采用 44 按键矩阵开关电路作为外呼内选呼叫控制。出于同样问题，显示楼层电路采用数码管从串口输出。为了更接近实际的电梯控制系统，设计中还应该添加电梯外上下行请求显示，可用五个发光二极管表示目的请求按键是否按下，有则亮，无则暗。软件方面至于采用中断方式还是采用查询的方式来检测用户的请求信息，可根据具体的设计方案来确定，同时要想准确地采集按键请求状态，就必须时时刻刻调用键盘矩阵扫描程序，也就增加了软件编程的难度。采用单片机作为核心，配以适当接口作为输入输出通道。实际电梯控制系统每层装有一个传感器，从而判断车厢所在位置，本模型使用延时函数对电梯运行楼层数进行控制。微控综合系统课程设计报告当电梯到达所选层，电梯开门延时等待进人并选层，然后延时关门执行请求，若无请求则停在本层等待请求。软件部分使用 kiel 作为开发环境，用 C 语言进行编程，采用查询方式来检测用户请求的按键信息并相应相应的函数。 随着人类社会的不断发展，电梯在人们生活中越来越占着重要位置，如何使电梯发挥更大的作用关键在于电梯的控制方法的改进以及控制费用的降低。单片机之所以如此受欢迎在于其廉价的成本和可靠地运行性能。故应用单片机进行电梯的控制势必成为电梯今后发展的重要方向，最优化的程序设计以及更廉价的费用对促进电梯行业的发展用着重要的作用，通过对具体问题的分析和探讨，具体程序的优化与改良，本设计也致力于解决这一问题。2.2 功能框架图本电路主要由 6 大部分电路组成：键盘电路、单片机、楼层显示电路、电机驱动显示电路、目的楼层显示电路、警报电路。电路复位后楼层显示数字 1 表示电梯此时在一楼，显示电路数码管显示，电梯楼层位置是由延时电路控制的，延时电路包括 3 秒延时和 5 秒延时，每层之间通过 5 秒延时控制即每延时5 秒表示电梯走了一层，3 秒延时是控制电梯的开门时间，3 秒延时后电梯关门继续运行。键盘电路采用 44 键盘矩阵共 16 个按键，其中 8 个按键是各层楼外呼按键，5 个按键是电梯内部的选择键。电梯的正常工作是通过对单片机写入程序控制的。总体方框图如图 1 所示：S T C 1 5 F 2 K 60 S 2 3 芯片楼层显示电路电机驱动模块报警电路目的楼层显示电路按键电路图 1 功能框架3 设计原理分析3.1 硬件设计3.1.1 键盘矩阵电路的设计由于本电路所需按键较多，为了节省单片机的 I/O 口，故选用行列式键盘矩阵（但是使用了矩阵键盘就与真实电梯有明显的区别了） 。本电路采用的是44 键盘矩阵，分为外部按钮跟内部按钮两部分。电路如图 2 所示，16 个按键接单片机的 P1 端口，单片机采用行和列扫描法来判别这 16 个按键中哪个键按微控综合系统课程设计报告下，并将其信号进行储存，然后可根据每个按键的功能来通过单片机控制电梯的运行。下面将每个按键的功能说明一下：1L 上: 一楼向上呼叫按键，此键按下表示一楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；2L 上: 二楼向上呼叫按键，此键按下表示二楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；3L 上: 三楼向上呼叫按键，此键按下表示三楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；4L 上: 四楼向上呼叫按键，此按键按下表示四楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；2L 下：二楼向下呼叫按键，此键按下表示二楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；3L 下：三楼向下呼叫按键，此键按下表示三楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；4L 下：四楼向下呼叫按键，此按键按下表示四楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；5L 下：五楼向下呼叫按键，此按键按下表示五楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，等到电梯运行到此楼层时判断是否该响应此呼叫；1L：电梯内部选择去一楼按键，此按键按下表示电梯里的乘客要去一楼，单片机根据此信号控制电梯的运行；2L：电梯内部选择去二楼按键，此按键按下表示电梯里的乘客要去二楼，单片机根据此信号控制电梯运行；3L：电梯内部选择去三楼按键，此按键按下表示电梯里的乘客要去三楼，单片机根据此信号控制电梯运行；4L：电梯内部选择去四楼按键，此按键按下表示电梯里的乘客要去四楼，单片机根据此信号控制电梯运行；5L：电梯内部选择去五楼按键，此按键按下表示电梯里的乘客要去五楼，微控综合系统课程设计报告单片机根据此信号控制电梯运行；ALARM：警报按钮，此按钮按下表示电梯有突发情况，单片机根据此信号会将电梯停止运行，点亮警报指示灯并发出警报；键盘电路如图 2 所示：图 2 键盘矩阵电路3.1.2 显示电路设计本电路采用数码管显示电梯所到达的楼层数，数码管采用共阴极由单片机的 P0 口控制，当电梯运行到两楼层之间时，数码管显示为前一楼楼层。电路如图 3 所示：图 3 楼层显示电路3.1.3 电机正反转控制由于单片机的 IO 口电压过低，不能驱动电机，故电机驱动部分采用常用的H 桥电路，如图 4 所示：微控综合系统课程设计报告图 4